En materiales conductores normales como plata y cobre, la corriente eléctrica fluye con distintos grados de resistencia, en forma de electrones individuales que eliminan los defectos, disipando energía a medida que avanzan. Superconductores por el contrario, se llaman así por su notable capacidad para conducir electricidad sin resistencia, por medio de electrones que se emparejan y se mueven a través de un material como uno, no genera fricción.

Ahora, los físicos del MIT han descubierto que una escama de grafeno, cuando se acerca a dos materiales superconductores, puede heredar algunas de las cualidades superconductoras de esos materiales. Como el grafeno se intercala entre superconductores, su estado electrónico cambia drásticamente, incluso en su centro.

Los investigadores encontraron que los electrones del grafeno, anteriormente comportándose como individuo, dispersión de partículas, en su lugar, se emparejan en "estados de Andreev", una configuración electrónica fundamental que permite una material no superconductor para llevar una "supercorriente, "una corriente eléctrica que fluye sin disipar energía.

Sus hallazgos, publicado esta semana en Física de la naturaleza , son la primera investigación de los estados de Andreev debido al "efecto de proximidad" de la superconductividad en un material bidimensional como el grafeno.

Por el camino, La plataforma de grafeno de los investigadores se puede utilizar para explorar partículas exóticas, como los fermiones de Majorana, que se cree que surgen de los estados de Andreev y pueden ser partículas clave para la construcción de Computadoras cuánticas a prueba de errores.

"Hay un gran esfuerzo en la comunidad de la física condensada para buscar estados electrónicos cuánticos exóticos, "dice el autor principal Landry Bretheau, un postdoctorado en el Departamento de Física del MIT. "En particular, Se prevé que emerjan nuevas partículas llamadas fermiones de Majorana en el grafeno que está conectado a electrodos superconductores y expuesto a grandes campos magnéticos. Nuestro experimento es prometedor, ya que estamos unificando algunos de estos ingredientes ".

Los coautores del MIT de Landry son el postdoctorado Joel I-Jan Wang, estudiante visitante Riccardo Pisoni, y profesor asociado de física Pablo Jarillo-Herrero, junto con Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, en Japón.

El efecto de proximidad superconductor

En 1962, el físico británico Brian David Josephson predijo que dos superconductores intercalando una capa no superconductora entre ellos podrían sostener una supercorriente de pares de electrones, sin ningún voltaje externo.

Como un todo, la supercorriente asociada con el efecto Josephson se ha medido en numerosos experimentos. Pero los estados de Andreev, considerados los componentes microscópicos de una supercorriente, se han observado solo en un puñado de sistemas, como alambres de plata, y nunca en un material bidimensional.

Bretheau, Wang, y Jarillo-Herrero abordó este problema utilizando grafeno, una hoja ultrafina de átomos de carbono entrelazados, como material no superconductor. Grafeno como explica Bretheau, es un sistema extremadamente "limpio", exhibiendo muy poca dispersión de electrones. El grafeno está extendido La configuración atómica también permite a los científicos medir los estados electrónicos de Andreev del grafeno cuando el material entra en contacto con superconductores. Los científicos también pueden controlar la densidad de electrones en el grafeno e investigar cómo afecta el efecto de proximidad superconductor.

Los investigadores exfoliaron una escama muy fina de grafeno, solo unos cientos de nanómetros de ancho, de un trozo más grande de grafito, y colocó la escama en una pequeña plataforma hecha de un cristal de nitruro de boro sobre una hoja de grafito. En cada extremo de la escama de grafeno, colocaron un electrodo de aluminio, que se comporta como superconductor a bajas temperaturas. Luego colocaron toda la estructura en un refrigerador de dilución y bajaron la temperatura a 20 milikelvin, dentro del rango superconductor del aluminio.

Estados "frustrados"

En sus experimentos, los investigadores variaron la magnitud de la supercorriente que fluye entre los superconductores aplicando un campo magnético cambiante a toda la estructura. También aplicaron un voltaje externo directamente al grafeno, para variar el número de electrones en el material.

Bajo estas condiciones cambiantes, El equipo midió la densidad de estados electrónicos del grafeno mientras la escama estaba en contacto con ambos superconductores de aluminio. Usando espectroscopia de tunelización, una técnica común que mide la densidad de estados electrónicos en una muestra conductora, los investigadores pudieron sondear la región central del grafeno para ver si los superconductores tenían algún efecto, incluso en áreas donde no tocaban físicamente el grafeno.

Las mediciones indicaron que los electrones del grafeno, que normalmente actúan como partículas individuales, se estaban emparejando, aunque en configuraciones "frustradas", con energías dependientes del campo magnético.

"Los electrones de un superconductor bailan armoniosamente en pares, como un ballet, pero la coreografía en los superconductores izquierdo y derecho puede ser diferente, "Dice Bretheau." Las parejas en el grafeno central se frustran cuando intentan satisfacer ambas formas de bailar. Estos pares frustrados son lo que los físicos conocen como estados de Andreev; llevan la supercorriente ".

Bretheau y Wang encontraron que los estados de Andreev varían su energía en respuesta a un campo magnético cambiante. Los estados de Andreev son más pronunciados cuando el grafeno tiene una mayor densidad de electrones y hay una supercorriente más fuerte entre los electrodos.

"[Los superconductores] en realidad le están dando al grafeno algunas cualidades superconductoras, "Dice Bretheau." Descubrimos que estos electrones pueden verse afectados dramáticamente por los superconductores ".

Mientras los investigadores llevaban a cabo sus experimentos bajo campos magnéticos bajos, dicen que su plataforma puede ser un punto de partida para explorar los fermiones de Majorana más exóticos que deberían aparecer bajo campos magnéticos altos.

"Hay propuestas sobre cómo utilizar los fermiones de Majorana para construir potentes ordenadores cuánticos, ", Dice Bretheau." Estas partículas podrían ser el ladrillo elemental de las computadoras cuánticas topológicas, con una protección muy fuerte contra errores. Nuestro trabajo es un paso inicial en esta dirección ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.